无线Mesh网络中跨层协作的路由策略
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摘 要： 网络编码可以提高无线mesh网络的吞吐量，但是网络编码在无线Mesh网络中实际应用获得最大网络利用率是需要解决的问题。提出一种多路径策略，能够通过将网络编码和TCP进行最大化融合提高网络的利用率。网络编码被加入到现有的网络系统，通过解决速率控制问题和分组调度问题，调整源节点的数据编码分块，降低数据包重传的次数，提高网络的吞吐量。
关键词： 无线Mesh网； 网络编码； 分组调度； 跨层协作
中图分类号： TN913?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）18?0038?03
A routing strategy of cross?layer cooperation in wireless Mesh networks
MA Ya?lei 1， HAO Dong?lai 2
（1. Department of Computer Science， Shaanxi Vocational Technical College， Xi’an 710100， China；
2. Department of Information Transmission， Xi’an Communication Institute， Xi’an 710106， China）
Abstract： Network coding can increase the throughput of wireless Mesh networks， but to obtain the maximum utilization of the network in the practical application of network coding in wireless Mesh networks is the problem which needs to be solved. A multi?path routing strategy is proposed in this paper. It can improve network utilization by maximization fusion of the network coding and TCP. As the network coding was added to the existing network system， the number of data packet retransmission was reduced and the network throughput was increased by realizing rate control and packet scheduling， and adjustment data coding block of the source node block.
Keywords： wireless Mesh network； network coding； packet scheduling； cross?layer cooperation
近来，人们多采用基于IEEE 802.16 标准部署多天线的Mesh路由。这些天线在垂直信道工作，互相之间的干扰大大减少。在转发之前，Mesh节点可以组合尽可能多的数据包，只要所有目的节点有足够的信息可以提取出发送给各自的信息，并通过广播进行发送[1?4]，但实际吞吐量增益并不高。首先NC（Network Coding）的行为和TCP的拥塞控制机制不能兼容，吞吐量增益比TCP流低很多[5?7]。其次，可获得的增益依赖于网络拓扑结构，包丢失和通信模式。现有的NC只过多考虑提高吞吐量，没有考虑WMNs的延迟。
为解决以上问题，提出一种多径路由策略叫做TCP?I2NC。通过把网络编码融合到TCP协议中解决易损耗的多天线多信道无线Mesh网络中的随机包丢失问题。本文将网络编码和TCP进行融合，TCP应用在Mesh客户端或者网络节点是透明的，并且与TCP的拥塞控制机制是兼容的。它建立在NUM框架上。每个TCP流的速率是在网络实用规划的基础上自适应变化的。
1 相关工作
1.1 网络编码在无线Mesh网络当中的应用
COPE通过异或组合多个数据包为一个来提高网络的吞吐量[5]。TCP/NC首次将网络编码融合到TCP协议中，基于RANK矩阵。
1.2 NUM编码系统
在网络编码内流，NCAQM机制被提出来NUM规划来完全开发网络编码的机会[8]。Sudipta提出一个多路径和编码感知的COPE路由，基于一个理论构想来最大化吞吐量[9]。
2 系统模型说明
2.1 系统模型
数据包的转换可以被模型为一个图（N，L），N是节点集，L是无线链路集。R是Mesh节点上的天线集合，H是每个天线的可用垂直信道集合。Link（i，j）属于L有能力Cij，传输延迟dij，丢包率pij。在链路上转发的包要么被接收者收到，要么丢失。
2.2 标记
本文引入随机线性网络编码的思想。系统中的节点可以进行网络编码。例如，假设节点A想发送数据包给节点B，A拥有数据包m1和m2，节点A从足够大的伽罗华域选择系数，转发这两个数据包的结合，q是域的大小，q在系统中被设置为256。
发送[n1=αm1+βm2]和[n2=λm1+μm2]，其中[α，β，λ∈GF（q）]。编码过程则表示为：
[n1n2=αβλμm1m2=Cm1m2]
TCP流：F是从源节点到目的节点TCP流的集合。每一个流f属于F可以成功到达目的地。每一个流f属于F都和速率Xf以及功能函数U（xf）（严格凹函数）有关系。不同的平衡可以通过不同的功能函数达到。一类功能函数被定义为：
[Ua（x）=logx， a=1x1-a1-a， a≥0，a≠1] （1）
功能函数在该系统中的定义为：
[U（x）=Ua=1（x）=-1x] （2）
路由：网络可用最大化规划。
一个网络是稳定的，如果节点i的整个输出交通比整体的输入大，
[rfij-rfij-xf{s（f）=i}≥0] （3）
若[s（f）=i]，则[xf{s（f）=i}=xf]，否则该值为0，同时：
[rfij≥0] （4）
[f∈Frfij≤cij] （5）
网络利用的总和为[f∈Fu（xf）]。网络利用率的最大化公式是寻找解决最大化[f∈Fu（xf）]所对应的式（3）～式（5）。
3 协议实施过程
该方案将网络编码融入到TCP当中，可以有效降低随机丢失并且显著提高TCP 的吞吐量。通过一个单跳的流内和流间网络编码机制，解决NUM问题分解出来的速率控制和包调度算法被提出来解决拥塞控制。如图1所示，一个新的网络编码层被引入。在无线Mesh网络当中的无线节点。在每一个NC层，有一个发送者模型和接收者模型。
图1 协议栈中新的网络编码层
他们主要负责分别发送和接收数据包，基于同一路TCP流。一个Mesh 节点用队列Qel来缓冲那些TCP数据包（需要被转发到目的地）。如果一个节点是终节点，他用编码队列Qe0来缓冲TCP数据包（那些在他的TCP流里或网络侧节点没有被TCP流确认）。Pel是链路1的丢包率。
算法描述：
链路1发送模块的1（i，j）：
（1） Sf=0
如果节点i是数据流f的源信息节点，计算[Xf=argmaxU（xf）-xfqf]；
Sf +=[xf10]；
生成Sf向下取整应答给传输层；
[Sf-=Sf]。
（2） 从队列Qel挑出N1个数据包，转发[N1（1-Pel）]线性结合，保存发送包的数目。
（3） 如果超时，则生成NACK给编码器。
（4） 检查是否有新的TCP队列包，若有则按顺序发送。
链路1的接收模块1（i，j），若收到数据包a：
（1） 如果a是一个TCP连接的控制数据包，直接转发；
（2） 如果a是一个二进制TCP数据包，则寻找a的下一个链路m，插入到Qem；
（3） 如果a是一个编码数据包，缓冲，解码。让m表示它的下一链路：
① 如果解码成功，生成ACK发送给发送者
② 否则，启动接收计时器。
（4） 如果a是NACK，让r表示解码系数矩阵的阶：
① 如果r=N1，删除缓冲的TCP数据包，重新计算Pel，qif，释放编码器；
② 否则生成[N1（1-Pel）-r]个TCP数据包的对应编码块的随机组合。
4 结 语
本文提出一种多路径策略，能够通过将网络编码和TCP进行最大化融合提高网络的利用率。网络编码被加入到现有的网络系统，通过解决速率控制问题和分组调度问题，调整源节点的数据编码分块，降低数据包重传的次数，提高网络的吞吐量。
参考文献
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